矿山压力及岩层控制.ppt

矿山压力及岩层控制第一讲：绪论矿山压力的基本概念矿山压力：采动 采场、巷、硐支护物 力矿压显现：力学现象矿山压力控制：减轻、调节、利用、改变的方法矿山压力对煤矿开采的意义生态环境保护保证安全和正常生产减少资源损失改善开采技术提高经济效益矿压的研究方法现场实测理论分析物理模拟数值模拟工程类比总结三个规律两个原理一个方法 岩层控制方法岩层控制方法原岩应力分布规律顶板活动规律矿压显现规律回采工作面支架与围岩的作用原理巷道支护与围岩的作用原理矿山压力及岩层控制第二讲：原岩应力分布规律本章介绍原岩应力“孔”周围的应力分布围岩极限平衡支撑压力及其分布原岩应力原岩体：原岩体：地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体。地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体。原岩应力：原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力。存在于地层中未受工程扰动的天然应力。板块边界受压板块边界受压 地幔热对流地幔热对流 地球内应力地球内应力 原岩应力的形成原岩应力的形成 地球心引力地球心引力 地球旋转地球旋转 岩浆侵入岩浆侵入 地壳非均匀扩容地壳非均匀扩容矿山压力的来源自重应力构造应力自重应力：由地心引力引起的应力场。自重应力：由地心引力引起的应力场。海姆公式：海姆公式：金尼克公式：金尼克公式：自重应力构造应力构造应力：由构造运动引起。构造应力：由构造运动引起。分为：现代构造应力和地质构造残余应力分为：现代构造应力和地质构造残余应力构造应力的特点：构造应力的特点：1.1.构造应力以水平应力为主。构造应力以水平应力为主。2.2.构造应力分布不均匀。构造应力分布不均匀。3.3.构造应力具有方向性。构造应力具有方向性。4.4.普遍存在于坚硬岩层中。普遍存在于坚硬岩层中。原岩应力的分布基本规律实测铅直应力基本等于上覆岩层重量实测铅直应力基本等于上覆岩层重量水平应力普遍大于铅直应力水平应力普遍大于铅直应力平均水平应力与铅直应力比值随深度增加而减少平均水平应力与铅直应力比值随深度增加而减少最大水平主应力与最小水平主应力相差较大最大水平主应力与最小水平主应力相差较大 垂垂直直应应力力与与采采深深成成正正比比平平、垂垂应应力力比比值值随随采采增增加加而而减减小小回采空间周围的应力分布不同方向临空，应力叠加；不同方向临空，应力叠加；拐角处应力集中程度高拐角处应力集中程度高；按临空自由面多少，应力集中程度如下关系按临空自由面多少，应力集中程度如下关系：孤岛孤岛大于大于半岛半岛大于大于拐角拐角大于大于单面单面矿山压力的分布分分布布的的稳稳定定条条件件塑塑性性状状态态的的分分布布弹弹性性状状态态的的分分布布矿山压力的分布矿山压力的分布围岩极限平衡与支撑压力的分布巷道（孔）应力状态两侧围岩单元体的巷道两侧的支撑压力分布切向应力分布：（大切向应力分布：（大-小）小）受力状态受力状态（单向（单向-三向）三向）抗压强度：（低抗压强度：（低-高）高）破坏顺序：（里破坏顺序：（里-外）外）围岩三区的形成塑性区塑性区弹性区弹性区原始应力区原始应力区回采工作面支撑压力分布前方移动的支撑压力远远大于后方的支撑压力前方移动的支撑压力远远大于后方的支撑压力工作面承受极少量的压力工作面承受极少量的压力影响支撑压力的分布因素回采空间尺寸及形状回采空间顶板管理方法顶板岩层及煤层岩性采深周围回采空间分布支撑压力的分区A减压区减压区 B增压区增压区 C稳压区稳压区 D极限平衡区极限平衡区 E弹性区弹性区支撑压力在底板岩层中的分布分布规律分布规律 煤体边缘附近底板产生高应力集中带煤体边缘附近底板产生高应力集中带 采空区下方一定范围内应力降低采空区下方一定范围内应力降低 多煤层同采时有应力互相干扰多煤层同采时有应力互相干扰矿山压力及岩层控制第三讲：采场上覆岩层活动规律本章介绍工作面的底板划分矿压假说直接顶稳定分析老顶破断分析（梁、板）上覆岩层的活动规律上覆岩层平衡结构回采工作面的顶、底板划分1.顶板 伪伪 顶顶-位于煤层之上薄而软的岩层。（位于煤层之上薄而软的岩层。（0.3-0.5m0.3-0.5m）直接顶直接顶-位于煤层或伪顶之上一层或几层围岩性质相近的岩层。位于煤层或伪顶之上一层或几层围岩性质相近的岩层。老老 顶顶-位于煤层或直接顶之上厚而坚硬的岩层（基本顶）。位于煤层或直接顶之上厚而坚硬的岩层（基本顶）。2.顶板 直接底直接底-位于煤层之下的岩层（古土壤）。位于煤层之下的岩层（古土壤）。老老 底底-直接底之下的岩层。直接底之下的岩层。（对于反山，顶底板发生翻转的）（对于反山，顶底板发生翻转的）回采工作空间类型（依据采空区处理方法不同划分）（依据采空区处理方法不同划分）（a）完整空间-刀柱法或留煤柱开采；（b）自由弯曲空间-顶板缓慢下沉法（顶板塑性大）；（c）充填空间-充填法；（d）垮落空间-完全垮落法；直接顶岩层破坏离散原因1.1.节理裂隙切割。节理裂隙切割。2.2.岩层松软，变形大离层。岩层松软，变形大离层。3.3.落煤后顶板支护不及时。落煤后顶板支护不及时。4.4.老顶岩层平衡结构失稳，岩块回转。老顶岩层平衡结构失稳，岩块回转。5.5.支撑力不均衡或支架反复支撑。支撑力不均衡或支架反复支撑。6.6.放顶撤柱，动力冲击。放顶撤柱，动力冲击。直接顶的离层1.1.离层原因离层原因离层原因离层原因直接顶教软，易发生弯曲变形未及时支护或支撑力不足直接顶的初次跨落初次跨落初次跨落直接顶第一次跨落（初次放顶）直接顶第一次跨落（初次放顶）(标志：跨落高度大于标志：跨落高度大于1-1.51-1.5，长面大于，长面大于1/21/2面长）面长）初次跨落距初次跨落距第一次跨落时，直接顶的跨距。第一次跨落时，直接顶的跨距。直接顶跨落距受直接顶的强度、厚度、节理裂隙影响，是描述直直接顶跨落距受直接顶的强度、厚度、节理裂隙影响，是描述直接顶稳定性的综合指标。接顶稳定性的综合指标。直接顶跨落前，顶板完整性一般较好，支架载荷小，稳定性差，直接顶跨落前，顶板完整性一般较好，支架载荷小，稳定性差，初次跨落易发生大面积顶板事故。初次跨落易发生大面积顶板事故。顶板工作结构1.1.梁式结构梁式结构将顶板视为沿工作面推进方向的梁，按梁式结构承载变将顶板视为沿工作面推进方向的梁，按梁式结构承载变形破坏理论分析顶板破坏现象。形破坏理论分析顶板破坏现象。2.2.板式结构板式结构将顶板视为一个板或经断层裂隙切割后多块板相互咬合将顶板视为一个板或经断层裂隙切割后多块板相互咬合组成的板，按板式结构承载变形及强度理论分析顶板破坏现象。组成的板，按板式结构承载变形及强度理论分析顶板破坏现象。3.3.顶板结构端部支撑条件：顶板结构端部支撑条件：固定支座固定支座顶板被岩层夹持，为断裂，无自由端。顶板被岩层夹持，为断裂，无自由端。简支梁支座简支梁支座顶板端部断裂或埋深较浅。（可转动）顶板端部断裂或埋深较浅。（可转动）老顶按梁式结构计算其极限跨度为：固定梁 简支梁按弯矩计算按剪力计算结论：对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小于剪力极限跨度；简支梁弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度；（顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）老顶梁式结构分析1.1.冒落区老顶支撑条件：冒落区老顶支撑条件：全部充填满回采空间全部充填满回采空间 不能全部充填满回采空间（老不能全部充填满回采空间（老顶悬露，成梁式结构）顶悬露，成梁式结构）1.固定支座老顶梁式结构力学分析（最大弯矩、最大剪切力发生在煤壁两端）2.简支梁支座老顶结构力学分析老顶岩梁破坏形式有两种受弯矩作用拉断受剪力作用剪断老顶的板式破断：板式结构边界支撑条件：板式结构边界支撑条件：薄板：长薄板：长150-200m150-200m 宽宽30m30m 厚厚2-4m2-4m边界支撑条件：边界支撑条件：（a a）四边固支）四边固支首采工作面首采工作面 （b b）三固一简）三固一简一面为已采区一面为已采区 （c c）二固二简）二固二简一面为已采区，一面为工作面采空区一面为已采区，一面为工作面采空区 （d d）一固三简）一固三简三面临空，回采孤岛区域三面临空，回采孤岛区域板式结构体内弯矩分布板式结构体内弯矩分布 1.1.将板分为若干横纵条梁，求每条梁弯矩并考虑交叉点将板分为若干横纵条梁，求每条梁弯矩并考虑交叉点挠度相等，从而求出板内弯矩分布。挠度相等，从而求出板内弯矩分布。2.2.板体内弯矩分布图板体内弯矩分布图由图可见：由图可见：（1 1）固定边界处弯矩比其他地方大；）固定边界处弯矩比其他地方大；（2 2）顶板支撑条件下，由）顶板支撑条件下，由“四固四固三简三简”转变时煤壁处弯矩增大；转变时煤壁处弯矩增大；（3 3）板式支撑条件，最大弯矩位于工作面煤壁终端；）板式支撑条件，最大弯矩位于工作面煤壁终端；（4 4）当板式结构四面临空时，最大弯矩在板中间。）当板式结构四面临空时，最大弯矩在板中间。3.3.板式结构破断过程板式结构破断过程 长边长边短边短边沟通沟通中间中间 （O-XO-X型破断）型破断）（a）（b）（c）：2 2的计算公式的计算公式的计算公式的计算公式公式原理：公式原理：当开采空间形成后，第一层岩层并非承受其上直至地表的全部岩层重量，当开采空间形成后，第一层岩层并非承受其上直至地表的全部岩层重量，其上必然有一层距离较近的坚硬岩层，可将其上部岩层载荷通过本身的强度其上必然有一层距离较近的坚硬岩层，可将其上部岩层载荷通过本身的强度或抵抗变形能力传递到空间两侧的实体支撑点上，而第一层岩层仅承受其上或抵抗变形能力传递到空间两侧的实体支撑点上，而第一层岩层仅承受其上直至第一层坚硬岩层间因弯矩施加的载荷。直至第一层坚硬岩层间因弯矩施加的载荷。回采工作面上覆岩层活动规律 老顶跨落后，其上覆岩层依次发生断裂、离层和移动，其破坏移老顶跨落后，其上覆岩层依次发生断裂、离层和移动，其破坏移动的程度与与开采形成的自由空间大小有关。动的程度与与开采形成的自由空间大小有关。一般讲随时间推移，上一般讲随时间推移，上覆岩层移动一直波及地面。覆岩层移动一直波及地面。1.1.横三区、竖三区的形成横三区、竖三区的形成2.2.实测不同类型覆岩开采后的破坏情况实测不同类型覆岩开采后的破坏情况1.冒落带 2.裂隙带3.3.工作面附近顶板移动观测曲线工作面附近顶板移动观测曲线4.4.上覆岩层随工作面推采位移路径上覆岩层随工作面推采位移路径5.5.倾角与顶板位移的影响倾角与顶板位移的影响顶板移动一般规律岩层移动由下而上形成三带，直直地表。（冒落、裂隙、弯曲下沉）岩层移动由下而上形成三带，直直地表。（冒落、裂隙、弯曲下沉）在工作面附近顶板形成三区（煤壁支撑影响区、离层去、重新压实区）在工作面附近顶板形成三区（煤壁支撑影响区、离层去、重新压实区）裂隙带可形成某种平衡结构裂隙带可形成某种平衡结构顶板移动在工作面前方顶板移动在工作面前方30-40m30-40m开始开始(水平为主、垂直为小）水平为主、垂直为小）顶板（移动轨迹）位移基本垂直层面顶板（移动轨迹）位移基本垂直层面影响范围由下向上逐渐扩大，形状由方到园影响范围由下向上逐渐扩大，形状由方到园矿山压力及岩层控制第四讲：矿山压力显现规律精品课件精品课件！精品课件精品课件！